光电技术概念题总结.docx

1光电探测器性能参数包括哪些方面。答：为了评价探测器性能优劣，比较不同探测器之间的差异，从而达到根据具体需要合理正确选择光电探测器件的目的，制定了一套性能参数。通常包括积分灵敏度，也成为响应度，光谱灵敏度，频率灵敏度，量子效率，通量阈和噪声等效功率，归一化探测度及工作电压、电流、温度及入射光功率允许范围。 2光子效应和光热效应答：光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为，光子能量是h ，h是普朗克常数, 是光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快；光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量h 的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。值得注意的是，以后将要介绍一种所谓热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。3请简要说出InSb和PbS光敏电阻的特性。 答：（1）PbS：近红外辐射探测器，波长响应范围在13.4m，峰值响应波长为2m，内阻（暗阻）大约为1M，响应时间约200s。（2）InSb：在77k下,噪声性能大大改善，峰值响应波长为5m响应时间短（大约5010-9s）4为什么说光电池的频率特性不是很好?答:光电池总的来说频率特性不是很好,这是由于两个方面的原因:第一,光电池的光敏面一般做的较大,因而极间电容较大;第二,光电池工作在第四象限,有较小的正偏压存在,所以光电池的内阻较低,而且随入射光功率变差,因此光电池的频率特性不好.5在光度单位体系中，基本单位是如何定义的。什么是光视效能？答：在光度体系中，被选作基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉定义为一个光源发出频率为 的单色辐射，如果在一给定方向上的辐射强度为 ，则该光源在该方向上的发光强度为1坎德拉，光度量和辐射度量之间可以用光是效能与光视效率联系起来。光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。即光视效能Kl定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即 单位：流明/瓦特（lm/W）。6什么是半波电压？对比KDP晶体的横向、纵向应用的特点。答：当光波的两个垂直分量Ex，Ey的光程差为半个波长（相应的相位差为p）时所需要加的电压，称为半波电压。横向运用时，存在自然双折射产生的固有相位延迟，它们和外加电场无关。表明在没有外加电场时，入射光的两个偏振分量通过晶后其偏振面已转过了一个角度，这对光调制器等应用不利，应设法消除。横向运用时，无论采用那种方式，总的相位延迟不仅与所加电压成正比，而且晶体的长宽比(L/d)有关。而纵向应用时相位差只和V=EzL有关。因此，增大L或减小d就可大大降低半波电压。7 说明光子效应和光热效应各自特点。答：1. 光子效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。2. 光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。（在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。）8红外光学系统的特点答：（1）红外辐射源的辐射波段位于1m以上的不可见光区，普通光学玻璃对2.5m以上的光波不透明，而在所有有可能透过红外波段的材料中，只有几种材料有必需的机械性能，并能得到一定的尺寸，如锗、硅等，这就大大限制了透镜系统在红外光学系统设计中的应用，使反射式和折反射式光学系统占有比较重要的地位。（2）为了探测远距离的微弱目标，红外光学系统的孔径一般比较大。（3）在红外光学系统中广泛使用各类扫描器，如平面反射镜、多面反射镜、折射棱镜及光楔等。（4）8至14m波段的红外光学系统必须考虑衍射效应的影响。（5）在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能。9为什么光电倍增管不但要屏蔽光，而且要屏蔽电与磁？制造光电倍增管的屏蔽罩需要用什么样特性的材料？屏蔽罩为什么必须与玻璃壳距离至少20mm ？答：光电倍增管中电子的运动，会受入射光强、电场和磁场的影响，需要屏蔽这些不必要的干扰，仅检测感兴趣的入射光信号。屏蔽罩应不透光、导电性好、不易磁化。屏蔽罩与玻璃壳距离至少20mm，是为了避免金属屏蔽层和金属之间的强电场作用下，玻璃壳产生放电现象或产生玻璃荧光，从而引起暗电流，严重破坏信号。10写出辐射度量学的基本物理量，并说明它们的定义。辐射能：以辐射的形式发射、传播或接受的能量。辐射通量：以辐射形式发射、传播或接受的功率。辐射强度：在给定方向上的单位立体角内，离开点辐射源的辐射通量。辐射出射度：面辐射源表面单位面积上发射的辐射通量。辐射照度：接受面上单位面积所照射的辐射通量。辐射亮度：辐射源表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。光谱辐射量：辐射源发出的光在波长处的单位波长间隔内的辐射物理量11写出光度学系统的基本物理量，并说明它们的定义。光量：以可见光的形式发射、传播或接受的光的多少的量度。光通量：单位时间内，以可见光的形式发射、传播或接受的光量。光强度：在给定方向上的单位立体角内，离开点光源的光通量。光出射度：面光源表面单位面积上发射的光通量。光照度：接受面上单位面积所照射的光通量。光亮度：辐射源表面一点处的面元在给定方向上的光强度除以该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。12什么是朗伯辐射体？在任意发射方向上辐射亮度不变的表面，即对任何角 为恒定值（理想辐射表面）。朗伯辐射表面在某方向上的辐射强度与该方向和表面法线之间夹角的余弦成正比。13光电探测器常用的光源有哪些？热辐射光源：太阳；白炽灯，卤钨灯；黑体辐射器（模拟黑体，动物活体）。气体放电光源：汞灯，钠灯，氙灯，荧光灯等。固体发光光源：场致发光灯，发光二极管等。激光器：气体激光器，固体激光器，染料激光器，半导体激光器等。14画出发光二极管的结构图并说明其工作原理。（图自画）发光二极管的基本结构是半导体P-N结。工作原理：n型半导体中多数载流子是电子，p型半导体中多数载流子是空穴。P-N结未加电压时构成一定势垒。加正向偏压时，内电场减弱，p区空穴和n区电子向对方区域的扩散运动相对加强，构成少数载流子的注入，从而p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合，复合中产生的与材料性质有关的能量将以热能和光能的形式释放。以光能形式释放的能量就构成了发光二极管的光辐射。15说明发光二极管的基本特性参数有哪些。（1）量子效率：1）内发光效率：PN结产生的光子数与通过器件的电子数的比例。2）外发光效率：发射出来的光子数与通过器件的电子数的比例。（2）发光强度的空间分布：（3）发光强度与电流关系：电压低于开启电压时，没有电流，也不发光。电压高于开启电压时显示出欧姆导通性。在额定电流范围内，发光强度与通过的电流成正比。（4）光谱特性：发射功率随光波波长（或频率）的变化关系。（5）响应时间：从注入电流到发光二极管稳定发光或停止电流到发光二极管熄灭所用的时间。表达了发光二极管的频率特性。（6）寿命：亮度随时间的增加而减小。当亮度减小到初始值的e-1时所延续的时间。16说明半导体激光器的工作原理及特性参数？半导体P-N结是激活介质，两个与结面垂直的晶体边界构成谐振腔，当P-N结正向导通时，可激发激光，阈值电流产生激光输出所需最小注入电流。工作电压、电流，发光功率，发光功率的空间分布，光谱范围与峰值波长，电流阈值，频率特性，寿命等。17简述光电导效应。材料受到辐射后，电导率发生变化18简述PN结光伏效应（分正偏、反偏、零偏三种情况）。是一种内光电效应，当光子产生时，能产生一个光生电动势，基于两种材料相接触形成的内建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫向势垒两面三刀边，从而形成光生电动势。简述光电发射效应（分金属与半导体两种情况）。当光照射物质时，若入射光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子吸收光子的能量而逸出物质表面。（1）第一定律：当入射辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的辐射量成正比。（2）第二定律：发射的光子最大动能随入射光子频率的增加而线性的增加，与入射光强度无关。19什么是负电子亲合势，它的工作原理、主要用途及优缺点。如果给半导体的表面做特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经过这种特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极。 特点：1）量子效率高 2）光谱响应延伸到红外 3）热电子发射小 4）光电子的能量集中20探测器噪声主要有哪几种？（1）热噪声：载流子在一定温度下做无规则热运动，载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏。 （2）复合噪声：载流子产生复合瞬间有起伏。 （3）散粒噪声：随机起伏所形成的噪声。 （4）1/F噪声：噪声功率谱与频率与反比。主要由于材料表面态和内部缺陷引起电子散射而产生。 （5）温度噪声：由于器件本身吸收和传导的热交换，引起的温度起伏。21何谓等效噪声功率？何谓探测率？何谓归一化等效噪声功率？如果入射到探测器的辐通量按某一频率变化，当探测器输出信号电流Is等于噪声均方根电流时，所对应的入射辐通量e称为等效噪声功率NEP。等效噪声功率NEP的倒数为探测率D。NEP常与探测器面积和测量系统带宽的乘积的平方根成正比。为比较探测器性能，需除去和的影响，用归一化参数表示 22常用的光电阴极有哪些？各有何特点？（1）银氧铯Ag-O-Cs光电阴极（2）单碱锑化物光电阴极，在可见短波区和近紫外区响应率最高（3）多碱锑化物光电阴极，耐高温（4）紫外光电阴极：只对探测的紫外信号灵敏（5）负电子亲和势光电阴极：量子效率高，光谱响应延伸到红外，势电子发射小，光电子能量集中23简述光电倍增管的工作原理。光电倍增管工作原理：1）光子透过入射窗口入射在光电阴极K上。2）光电阴极电子受光子激发，离开表面发射到真空中。3）光电子通过电子加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子，入射电子经N级倍增极倍增后光电子就放大N次方倍。4）经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。24光电倍增管的特性参数？灵敏度、增益、暗电流、噪声、伏安特性、线性、漂移与滞后、时间响应、温度特性、磁场特性与空间均匀性等。25实践中，我们采取什么措施以降低光电倍增管的暗电流与噪声？减少暗电流的方法：（1）直流补偿 （2）选频和锁相放大 （3）制冷（4）电磁屏蔽法 （5）磁场散焦法26解释光电导增益。光电导增益是表征光敏电阻特性的一个重要参数，它表示长度为L的光电导体两端加上电压后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流之间的比值。27什么是半导体色敏器件，它是依据什么原理来工作的？半导体色敏器件是根据人眼视觉的三色原理，利用结深不同的p-n结光电二极管对各种波长的光谱灵敏度的差别，实现对光源或物体的颜色测量 半导体色敏器件的工作原理：由在同一块硅片上制造两个深浅不同的p-n结构成（浅结为PD1，它对波长短的光电灵敏度高，PD2为深结，它对波长长的光电灵敏度高），这种结构又称为双结光电二极管，通过测量单色光的波长，或者测量光谱功率分布与黑体辐射相接近的光源色温来确定颜色，当用双结光电二极管作颜色测量时，一般是测出此器件中两个硅光电二极管的短路电流比与入射光波长的关系，每一种波长的光都对应于一短路电流比值，再根据短路电流比值的不同来判断入射光的波长以达到识别颜色的目的28光电耦合器件的基本特性有哪些？（隔离性、电流传输比、频率特性、输入输出电特性、输入输出绝缘特性）光电耦合器件的基本特性：（1）隔离特性（2）电流传输比（3）频率特性（4）增益（5）等效背景照度（6）分辨率29常用的热探测器有哪几种？都是用什么原理工作的？（1）、热敏电阻与测辐射热计；（2）、热电偶与热电堆；（3）、热释电器件；（4）、高莱管。30为了减小背景光和杂散光的影响，需对进入光电接收系统的光进行滤波。试说明对入射光进行空间滤波和光谱滤波的基本方法和作用。一、空间滤波的基本方法和作用（1）如果信号光的输入空间角有一定的大小，如远处的点光源，可以给接受光学系统加遮光罩、减小视场光阑、减小通光孔径的方法，压缩进入光学系统的空间立体角。 （2）当信号光源有一定的空间形状时，我们可以利用透镜的傅立叶变换，在其频谱面上设置空间滤波器，只让信号光源的特定空间频谱通过，而将其他空间频谱挡住，就能将背景光几乎全部滤除。（3）给接受光学系统加消杂光光阑，可以最大限度的消除杂光的干扰。二、光谱滤波的基本方法和作用31你学过哪几种光电信号调制方法？各是用什么原理、方法进行调制的？内调制：调幅、调频、调相、调宽、光学编码等；外调制：调制盘、电光调制、声光调制、莫阿条纹调制、液晶光阀调制等。1. 半导体对光的吸收：本征吸收、杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收、晶格吸收。只有本征吸收和杂质吸收，能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。其余是光热效应。2. 光生伏特器件的偏置电路：自偏置电路、零伏偏置、反向偏置 3. 热辐射探测器件：热敏电阻、热电偶探测器、热电堆探测器、热释电器件。4. 光电信息变换和处理：模拟光电变换和模数光电变换5. 光电倍增管的结构：（1）入射窗结构：端窗式和侧窗式（2）倍增极结构：聚焦型和非聚焦型。光窗、光电阴极、电子光学系统（电子透镜）、电子倍增系统和阳极。6. 光敏电阻属于光电导器件，广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。 7. CCD的注入方式：光注入、电注入。8. 已知禁带宽度Eg求最大波长max。9. 光电信息变换的基本形式：信息载荷于光源的方式；信息载荷于透明体的方式；信息载荷于反射光的形式；信息载荷于遮挡光的形式；信息载荷于光学量化器的方式；光通信方式的信息变换一类称为模拟量的光电信息变换，例如前4种变换方式；另一类称为数字量的光电信息变换，例如后2种变换方式。 10. 光电倍增管：阴极灵敏度 定义光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量之比为阴极的光谱灵敏度，并记为 若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，IK与光谱辐射通量的积分之比，记为Sk 阳极灵敏度 定义光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为 若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa 11. 黑体：能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸收系数为1，发射系数也为1。12. 斯忒藩-波尔兹曼定律 Wcm-2m-1K-5 13. 热释电效应：热电晶体材料因吸收光辐射能量而产生温升，导致晶体表面电荷发生变化的现象。14. 外光电效应：当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子，这种现象称为光电发射效应或称为外光电效应。15. 温差热电效应：两种材料的金属A和B组成的一个回路时，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高而另一端低），则在回路中会有电流产生。即由于温度差而产生的电位差E。回路电流I=E/R。其中R称为回路电阻。这一现象称为温差热电效应（也称为塞贝克热电效应）( Seebeck Effect)。 16. 灰体：凡发光系数与同温度黑体的发射系数之比不与发光波长成函数关系的辐射体称为灰体。灰体的发光系数为17. 光生伏特效应：光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光生电流的现象。 18. 光磁电效应：在半导体上外加磁场，磁场的方向与光照方向垂直，当半导体受光照射产生丹培效应时，由于电子和空穴在磁场中的运动必然受到洛伦兹力的作用，使它们的运动轨迹发生偏转，空穴向半导体的上方偏转，电子偏向下方。结果在垂直于光照方向与磁场方向的半导体上下表面上产生伏特电压，称为光磁电场。这种现象称为半导体的光磁电效应。 19. 量子流速率：光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源在给定波长处, 由到波长范围内发射的辐射通量de除以该波长的光子能量hv，得到光源在该波长处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率dNe,，即 光源在波长为0范围内发射的总量子流速率 20. 热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声等。热噪声：来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。热噪声电压随调制频率的升高而下降放大器噪声：来自放大器中的有源元件和无源器件，及信号源的阻抗和放大器输入阻抗之间噪声的匹配等方面温度噪声：来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交换能量的随机性。热释电器件的噪声等效功率NEP具有随着调制频率的增加而减小的性质。21.怎样理解光电倍增管的阴极灵敏度和阳极灵敏度？二者的区别是什么？二者有什么关系？ 答：光电倍增管阴极电流与入射光谱辐射通量之比称为阴极灵敏度，阳极电流与入射光谱辐射通量之比称为阳极灵敏度。阴极灵敏度表征了光电倍增管阴极材料的一次发射能力，而光电倍增管的阳极灵敏度则反应了倍增极材料的二次电子发射能力。22. 像管的结构基本结构：由光电阴极、电子光学系统（也称为“电子透镜”）、荧光屏等组成。光电阴极涂覆于光窗内壁的光电发射材料薄膜，是像管的光-电转换部分。电子光学系统将电子图像成像在荧光屏上。荧光屏将电子动能转换成光能，是像管的电-光转换部分。像管的工作原理 亮度很低的可见光图像或者人眼不可见的光学图像经光电阴极转换成电子图像； 电子光学系统将电子图像聚焦成像在荧光屏上，并使光电子获得能量增强； 荧光屏再将入射到其上的电子图像转换为可见光图像。23.光生伏特器件有几种偏置电路？各有什么特点？ 答：光生伏特器件有以下几种偏置电路： （1）自偏置电路。特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载电阻为最佳负载电阻时具有最大输出功率。其缺点在于输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系很差，在实际测量电路中很少应用。 （2）反向偏置电路。光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽，被广泛应用于大范围的线性光电检测与光电变换中。 （3）零伏偏置电路。光生伏特器件在零伏偏置下，输出的短路电流 与入射辐射量成线性变化关系。因此，零伏偏置电路是理想的电流放大电路，适合于对微弱辐射信号的检测。24. 雪崩光电二极管是一种p-n结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。PN 结在高反向电压下产生的雪崩效应。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的Read二极管结构（即N+PIP+型结构，P+一面接收光），工作时加较大的反向偏压，使得其达到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的P区和I区）。25. 硅光电池：基本结构：一个大面积的 PN结。 硅光电池的工作原理是光生伏特效应.当光照射在硅光电池的PN结区时,会在半导体中激发出光生电子空穴对.PN结两边的光生电子空穴对,在内电场的作用下,属于多数载流子的不能穿越阻挡层,而少数载流子却能穿越阻挡层.结果,P区的光生电子进入N区,N区的光生空穴进入P区,使每个区中的光生电子一空穴对分割开来.光生电子在N区的集结使N区带负电,光生电子在P区的集结使P区带正电.P区和N区之间产生光生电动势.当硅光电池接入负载后,光电流从P区经负载流至N区,负载中即得到功率输出. 基本特性：光电特性（照度-电流电压特性，照度-负载电阻特性）、光谱特性、频率特性、温度特性。26. 热释电探测器基本结构：热释电的基本结构是一个电容器，其电容值很小、阻抗一般可达 1010，使用时须采用具有高输入阻抗和低噪声的结型场效应管前置放大器（JFET）。实际应用中一般将JFET与热释电探测器直接封装在同一个黄铜管内，构成源极跟随器、并进行阻抗变换。基本原理：热释电探测器是一个电容器，其输出阻抗极高，故其等效电路可用恒流源来表示。27.余弦辐射体：辐射